Toll样受体4信号传导通路在急性肺损伤发病机制中的作用

付玉梅，陈旭昕，韩志海

Toll样受体4信号传导通路在急性肺损伤发病机制中的作用

付玉梅，陈旭昕，韩志海

炎症反应失控是急性肺损伤/急性呼吸窘迫综合征重要的发病机制之一。Toll样受体4介导生成的炎症介质是急性肺损伤炎症反应中重要的分子生物学基础之一。作者就Toll样受体4的炎症信号传导通路在急性肺损伤/急性呼吸窘迫综合征中的作用机制进行综述。

Toll样受体4；炎症；信号转导通路；急性肺损伤

急性肺损伤(acute lung injury，ALI)/急性呼吸窘迫综合征(acute respiratory distress syndrome，ARDS)临床上以顽固性的低氧血症和呼吸窘迫为主要表现，炎症反应失控是其发病的重要原因。感染，尤其革兰阴性杆菌引起的脓毒血症是导致ALI/ARDS的重要原因，革兰阴性杆菌细胞外的脂多糖(lipopolysaccharides，LPS)是先天性免疫反应及炎症反应的启动子。Toll样受体4(Toll-like receptor-4，TLR4)既作为LPS的受体，又作为信号传递分子，通过一系列蛋白激酶级联放大反应，并最终诱导相关炎症基因的表达，导致细胞分泌炎症介质和趋化因子，引发系统性炎症反应。宿主通过TLR4对LPS的免疫应答，产生大量的炎性介质在ALI/ARDS的发生、发展中起着重要的作用，阻断Toll样受体通路可以减轻ALI/ARDS的炎症反应[1]。作者就TLR4炎症信号传导通路在ALI/ARDS中的最新研究进展进行综述。

1 TLR4及其家族

Toll样受体家族(Toll like receptors，TLRs)是一种跨细胞膜受体，通过识别病原相关分子模式感知不同的微生物刺激，进而区别“自己”和“非己”，激活天然免疫反应，在天然免疫系统和炎症反应中发挥着重要作用[2]。TLR4是TLRs中的一员，主要分布于免疫效应细胞、内皮细胞和上皮细胞表面。研究表明，TLR4是识别并启动LPS炎症信号向胞内传导进而引发炎症反应的受体[1]。当LPS在CD14锚定分子和TLR4的附属蛋白MD2分子的协助下与TLR4结合后，主要有2条信号转导通路途径，即髓样分化因子88(myeloid differentiation factor 88，MyD88)依赖途径和MyD88非依赖途径[β-干扰素Toll/白介素-1受体(Toll/interleukin-1 receptor，TIR)结构域衔接蛋白(TIR-domain-containing adaptor inducinginterferon-β，TRIF)依赖型途径]。

1.1 MyD88依赖途径 MyD88通过其TIR结构域与TLRs的相应结构域相互作用，随后MyD88通过其死亡结构域募集具有相同死亡结构域的IL-1受体相关激酶(IL-1 receptor-associated kinase，IRAK)，导致IRAK自身磷酸化，自身磷酸化的IRAK与肿瘤坏死因子(tumor necnosis factor，TNF)受体相关因子6(TNF receptor-associated factor 6，TRAF6)形成复合物，进而导致TRAF6寡聚化；寡聚化后，再与转移生长因子β激酶-1(transforming growth factor-β-activa-ted kinase-1，TAK1)、TAK1结合蛋白-1(TAK1-binding protein-1，TAB1)及TAB2相互作用，TAK1磷酸化，核因子-κB(nuclear factor-kappa B，NF-κB)抑制物激酶和c-Jun氨基末端激酶激活，使NF-κB和转录激活蛋白-1活化，启动炎症因子基因的转录、翻译，释放炎症介质，导致炎症反应发生。

1.2 MyD88非依赖途径 通过TLR4的胞内TIR结构域，激活下游接头分子进行信号转导，TRIF-受体相互作用蛋白-1或者TRIF-TRAF6通路激活NF-κB诱导炎症因子的分泌，而TRIF-TRAF联合NF-κB激酶结合激酶-1/NF-κB抑制物激酶ε通路激活干扰素调节因子-3，诱导Ⅰ型干扰素分泌和树突状细胞的活化[3]。

2 TLR4信号通路在ALI/ARDS发病机制中作用

TLR4活化在炎症反应中也是一把“双刃剑”[4]。一方面，TLR4作为机体感知病原体入侵的主要门户，能及时激活机体的天然免疫系统和获得性免疫系统，以抵御和清除病原体。正常情况下，炎症反应主要是以防御为主的局部组织反应，可以起到防止组织损伤扩大，促进组织修复的作用，是机体修复和生存所必需的。感染、创伤可以触发机体的炎症反应，如果炎症反应能够局限，及时清除病原体及异物，则对机体有利。

另一方面，过度的TLR4应答又会导致炎症反应瀑布式爆发和免疫相关性组织损伤，如ALI/ARDS。感染，尤其是革兰阴性杆菌的细胞外膜上的LPS是导致ALI/ARDS的重要原因。在LPS诱导的ALI/ ARDS信号转导通路中，TLR4作为LPS的受体，控制着LPS炎症信号的细胞内转导以及NF-κB的激活和大量炎症介质的释放[5]。LPS-TLR4通路的激活，导致TNF-α、IL-1β多种细胞因子、趋化因子基因表达增强，如果炎症反应不能够局限，产生的炎症介质可进一步刺激和激活单核-巨噬细胞、中性粒细胞、淋巴细胞、上皮细胞及内皮细胞释放大量的炎症介质，形成炎症介质介导的瀑布样连锁反应，犹如多米诺骨牌的逐级放大，使炎症反应失控。大量的炎症介质、活化的炎性细胞、自由基等的释放，诱导内皮细胞活化、白细胞迁移、粒细胞脱颗粒及毛细血管通透性增加，肺泡及肺间质的水肿，肺泡蛋白的渗出，造成肺组织损伤、结构破坏，并最终发展为ALI/ ARDS[6]。ALI/ARDS常作为全身炎症反应综合征的并发症存在，ALI/ARDS患者主要的死亡原因并非原发病，而是炎症反应失控所继发的多脏器功能障碍综合征(multiple organ dysfunction syndrome，MODS)，或多器官功能衰竭(multiple organ failure，MOF)，ALI/ARDS是MODS/MOF在肺脏的具体体现[7]。Matute-Bello等[8]给予失血休克后的小鼠盲肠结扎穿刺，成功制造了脓毒症诱导的急性肺损伤模型。Baumgarten等[9]通过动物实验证实了TLR4/CD14信号转导通路在内毒素导致的ALI/ARDS机制中发挥着重要作用。黄继义等[10]研究表明，阻断TLR4表达能抑制LPS诱导的ALI大鼠体内炎症因子的分泌，减轻肺组织病理损害，发挥着治疗ALI的作用。

炎症介质在ALI/ARDS的发生、发展中发挥着重要作用。NF-κB在炎症反应的调节中起了核心作用，并在炎症反应的启动和放大过程中扮演了重要角色。NF-kB介导了大量的促炎基因的表达，包括细胞因子、趋化因子、免疫受体、酶及促炎因子的表达。NF-κB的激活可能是大量炎症介质基因表达的调控点，防止NF-κB的激活或抑制其活性可以减轻LPS导致 ALI/ARDS[11]。TNF-α是重要的致炎因子，通过以下机制导致ALI/ARDS的发生:①直接破坏溶酶体和内皮细胞，引起肺组织损伤；②抑制血管内皮细胞的抗凝功能，促进血栓的形成，造成肺动脉高压，引起通气/血流比例失调，导致低氧血症；③促使肺血管内皮细胞表达细胞黏附分子-1，促使白细胞跨越内皮细胞迁移到炎症部位，发生炎症反应，引起肺损伤；④促进炎症趋化因子IL-8的释放，与中性多核白细胞表面特异性受体结合后，导致细胞变形、脱颗粒反应、释放溶酶体和过氧化物，促进炎症反应，引起肺损伤。有研究表明，TNF-α是体外循环导致ALI的始动因子，是否是内毒素导致ALI的始动因子仍待进一步确定[12]。除了TNF-α还有IL-1β、IL-6、IL-8、γ-干扰素、磷脂酶A2、血小板活化因子炎症介质通过级联放大反应导致炎症反应，体内同时存在抗炎反应，产生内源性抗炎介质如IL-10、IL-1受体拮抗剂、可溶性TNF受体等，炎症和抗炎反应平衡，保持内环境的稳定，一旦失衡，就会导致ALI/ARDS的发生。

3 TLR4及其家族的负调控可以减轻ALI/ARDS

TLRs信号转导通路的激活可诱导机体产生大量炎症介质，产生很强的免疫应答反应，有利于机体对抗病原体和促进组织损伤的修复，但是过强的免疫应答反应也会给机体带来不利的影响，如产生内毒素休克、ALI/ARDS。正常情况下，机体之所以能够保持内环境的稳态，机体存在负反馈限制调节——TLRs的负性调节，适时终止TLRs信号，避免过强的免疫应答反应。炎症反应时正反馈的蛋白激酶“级联放大”反应与负反馈限制调节平衡状态，决定着全身炎症反应的发生和发展。通过特异性的受体阻滞剂阻断TLR4信号转导通路，可以不同程度地抑制炎症细胞的活化和组织浸润，抑制炎症细胞因子级联放大反应，从而减轻ALI/ARDS。具体可归结5种不同机制:①可溶性的TLRs竞争相应的配体，如可溶性TLR4等；②通过跨膜区的负调节分子；③细胞内的负调控分子，如细胞因子信号抑制因子(suppressor of cell signaling，SOCS)等；④下调TLRs的表达；⑤诱导TLRs信号过强细胞的凋亡。目前，研究发现的TLRs负性调节因子，主要包括免疫球蛋白单体IL-1相关受体(single immunoglobulin IL-1-related receptor，SIGIRR)、短链MyD88、SOCS、磷脂酰肌醇-3等[13]。

4 TLR4及其家族信号通路的负性调节因子

4.1 SIGIRR SIGIRR又称TIR8，是新近发现的TLR/IL-1R超家族成员之一。近年研究表明，SIGIRR对TLRs信号通路有负性调控作用[14]。Chen等[15]从体内外实验分别证实了过表达SIGIRR对TLRs信号通过起负调控作用，可减轻LPS诱导的肺损伤，改善肺损伤小鼠预后。

4.2 SOCS-1 SOCS是一种细胞因子信号阻抑蛋白，不仅通过对Janus激酶/信号转导和转录活化因子信号通路的负反馈作用来调节炎症因子的释放，而且通过膜识别受体TLR调节NF-κB，参与天然免疫反应的负性调节，减轻ALI/ARDS[16]。SOCS-1是SOCS蛋白家族成员之一，SOCS-1表达于巨噬细胞及树突状细胞表面，抑制多种免疫分子的信号转导。Nakagawa等[17]研究表明，SOCS-1缺失的小鼠对LPS诱导的内毒素休克非常敏感及产生的细胞因子增多，异位表达的SOCS-1可削弱LPS诱导的NF-κB激活，SOCS-1可以直接下调TLR信号转导途径。

4.3 IRAK-M IRAK是TIR家族信号转导通路中重要的接头分子，IRAK-M可阻止IRAK-1/IRAK-4从MyD88复合物中分离，从而防止IRAK-1/TRAF6复合物的形成[18]。Kobayashi等[19]发现先用 LPS刺激后IRAK-M表达明显增加，IRAK-1的磷酸化减弱，促使复合物TLR/MyD88/IRAK-4/IRAK-1稳定结合，阻止IRAK-1/IRAK-4从MyD88复合物中分离，从而防止IRAK-1/TRAF6复合物的形成，导致信号转导通路的中断从而削弱LPS诱导的NF-κB的激活，出现内毒素耐受现象，而IRAK-M基因缺陷的细胞发生内毒素耐受的能力大大地减弱。

4.4 短链MyD88 过量表达的短链MyD88可通过阻断TIR家族信号转导通路中IRAK-4介导的IRAK-1磷酸化[20]，从而削弱LPS诱导的NF-κB的激活，减弱大量炎症介质的释放，减轻ALI/ARDS。

TLR4信号通路过度激活是导致炎症反应爆发失控的主要机制之一，过度的TLR4应答又会导致炎症反应瀑布式爆发和免疫相关性组织损伤，阻断或减弱TLR4应答可能会减轻ALI/ARDS的炎症反应。炎症反应和抗炎症因子反应在疾病的发生、发展中发挥着重要作用，仍有大量关于TLR4及其家族介导的信号转导途径的上游、下游信号接头分子及负性调控因子未被了解。更好地了解TLR4及其家族与ALI/ARDS的关系，将为预防、干预、治疗ALI/ ARDS提供全新的策略和方案，有助于降低ALI/ARDS的发病率和病死率。

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The role of Toll-like receptor 4 signaling pathways in the mechanism of acute lung injury

FU Yumei，CHEN Xuxin，HAN Zhihai
(Department of Respiratory，Navy General Hospital，Beijing 100048，China)

Uncontrolled inflammatory response plays an important role in the mechanism of acute lung injury/acute respiratory distress syndrome(ALI/ARDS).Studies have shown that the molecular biological basis of the inflammatory response in the ALI/ARDS is inflammatory mediators generated by Toll-like receptor 4.This review presents the mechanism of Toll-like receptor 4 signaling pathways in the ALI/ARDS.

Toll-like receptor 4(TLR4)；Inflammatory；Signal transduction pathway；Acute lung injury

R563

A

2095-3097(2015)04-0236-04

10.3969/j.issn.2095-3097.2015.04.013

2015-01-29 本文编辑:张在文)

国家自然科学基金(81300050)；海军总医院创新培育基金(CXPY201417)

100048北京，海军总医院呼吸内科(付玉梅，陈旭昕，韩志海)

韩志海，E-mail:hzhngh＠sina.com